行业要闻

 

摘  要：　结合北京地铁４号线项目，对北京地区特有地质条件下隧道盾构施工中的地表沉降进行研究。分析该类地表沉降的影响因素，阐述地表沉降与地层、时间和施工参数之间的关系。

关键词：　盾构法；地铁隧道；地表沉降；影响因素

 

      随着城市建设的高速发展，人口密度不断增长，使得城市市区内可供利用的土地面积越来越少，合理开发利用地下空间已成为一条扩大城市容量和功能的有效途径。近年来我国大力发展地铁工程，修建地铁等城市地下工程的各种方法都有其优缺点和适用条件，其中盾构法却以其诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的施工方法。工程实践表明，尽管盾构法施工隧道技术已发展得很成熟，但不可避免地产生对土体的扰动，引发不同程度的地层位移和变形。当地层位移和变形超过一定的限度时，就会危及周围邻近建筑物及其基础和地下管线的安全，引起一系列岩土环境工程问题。本文就是以北京地铁４号线盾构施工期间地表沉降的影响因素为研究对象，从系统论的角度针对这一问题进行探讨。

 

      北京地铁４号线工程角门北路站－北京南站区间工程位于北京市丰台区，由南向北沿马家堡西路延伸，过马草河及马草河桥后线路转东，穿南三环、万芳亭公园，下穿凉水河，近距离经过京山铁路桥、洋桥北里１４层居民楼，下穿京山铁路，到达规划中的北京南站，线路建筑红线范围内地下管线密集，地势较为平坦，地面标高为３５．７５～４１．６３ｍ。除与北京南站交接处和风井采用明挖法施工，联络通道采用暗挖法施工外，其他段均采用盾构法施工。工程段范围内的地层划分为人工堆积层（Ｑ^ｍｌ）、新近沉积层（ ）、第四纪全新世冲洪积层（ ）和晚更新世冲洪积层（ ）三大类。区间结构和开挖穿过的岩土层大致可以分为粉土及砂质地层（Ｋ２＋４４６．３２～Ｋ２＋７８９．５１），砂砾层及卵石圆砾层（Ｋ２＋７８９．５１～Ｋ３＋８３３．２６）。在４２ｍ勘察深度范围内，量测到两层地下水，第一层水为上层滞水，仅在两个孔中观测到该层水；第二层水为层间潜水，在整个区间线路稳定分布。

      地面沉降观测断面一般垂直与隧道中线方向布置，每３０ｍ设置一个断面，每个断面布设７～９个观测点，关于线路中心线两侧对称布置，观测点间距一般为７ｍ。测量频率２次／ｄ～１次／７ｄ，主要监测仪器为精密水准仪。

 

      北京地铁４号线工程角门北路站－北京南站区间工程里程（Ｋ２＋４４６．３２～７８９．５１）主要在粉土及砂质地层中掘进。隧道顶部地层厚度约为７～１５ｍ，地下水位９．２～１０．６ｍ。此段地层的最大沉降量达１２．６ｍｍ。最大沉降量处观测断面实测的５条地面沉降曲线如图１所示。

      从图１几条沉降曲线可以发现：砂层中最大沉陷量相对比较大，沉降槽形状明晰。出现这种形式沉降槽的原因是砂性土土体力学抗剪性能较差，在施工过程中不能较好地控制各种施工参数，出现较大的沉降。

       北京地铁４号线工程角门北路站－北京南站区间工程里程（Ｋ２＋７８９．５１～Ｋ３＋８３３．２６）的隧道断面大部分范围内为砂砾卵石圆砾层。该段隧道顶部地层厚度约为７～１８ｍ，地下水位在１６．８～２１．８ｍ。最大沉降量达到１２．３ｍｍ。最大沉降量处观测断面实测的５条地面沉降曲线如图２所示。

      本段地层的地表沉降与砂性地层的地表沉降相比较，其不同之处在于：（１）卵石层可作为持力层，较砂层有更好的力学性能，如卵石间砂粒充填密实，比砂层有更高的自稳性能；（２）卵石层透水性能较好，持水性能较砂层差，盾构经过后注浆效果不好时，将产生更大的沉降；（３）在掘进过程中，会因卵石冲击而形成瞬时较大的刀盘扭矩。

 

      盾构机通过监测断面时，盾构机距离监测断面的位置不同，其地表沉降量不同^［１］。通过分析典型断面（Ｋ２＋５９０断面、Ｋ３＋３５０断面）最大沉降量的历时变化趋势图（图３、图４），得出盾构施工引发地表沉降过程的阶段划分^{［２，３］}、各阶段的发生时空段、应力扰动及变形性质，详见表１^{［４，５］}。

      各阶段产生的地表沉降量所占的比重分别为：盾构机到达前，仅占５％～１５％；通过过程占４５％～５０％；通过后占４０％～４５％。

 

      推力是盾构法施工中对周围土体扰动的最主要原因之一^［７］，由图５可以看出，随着推力的增大，盾构对土体的扰动增大，扰动程度和范围越大，导致的最终地表沉降量越大。

      上海的盾构法地表沉降研究表明，最终沉降量与推进速度成正比，即推进速度越快，地表变形越大^［８］。但在北京地铁４号线工程某些地段的施工中，推进速度对地表沉降的影响恰好与此相反，如图６所示。

      出现这种结果其原因如下：（１）地层原因：工程施工的地层主要是砂土及卵石圆砾层，在这些地层中推进时，开挖面稳定能力差，很容易出现塌落，隧道外侧土体将向隧道中心处移动，增大了扰动的影响范围，推进速度越慢，塌落面积和范围越大，从而使地表沉降也随之增加。（２）地下水的影响：地下水位下降将会使地表沉降增加^［９］，当推进速度较慢时，推进时间较长，地下水流失较多，这将增大它对地表沉降的影响。（３）超挖量的变化：在正常推进速度下，盾构机的超挖量是一定的，但当推进速度较慢时，超挖量将增大^［１０］，当盾构机通过后，超挖位置的空隙不能及时充填，加大最终沉降。

      而在上海施工中，由于地层为软弱土层，推进速度增大后，如果壁后注浆不能及时充填，则会形成推进速度与最终沉降量成正比的关系^［１１］。

      盾构通过后实施回填注浆的时间间隔越长，土体应力释放程度越高，及土体应力扰动程度越大，地表总沉降也越大^［１２］。注浆及时土体向隧道中心内侧移动将减小，地层变形减小，地表沉降减小^［１３］，如图７所示。另外，盾尾注浆量的多少将直接影响最终沉降量，注浆量越多，则注入的浆液将被压缩产生一定的压力抵抗外周土体的移动，使沉降量减小^{［１４，１５］}，但当注浆量过大时，则会增大管片变形量。

      确定地铁隧道的合理埋深，即隧道上方覆土层的厚度是隧道工程建设中的一个重要技术问题^［６］。通过对北京地铁４号线工程角门北路站－北京南站区间工程实测数据的归纳总结，可以得出地表最大沉降量随埋深之间的变化关系，如图８所示。

      从图８可以看出，地表最大沉降量随隧道开挖深度的增大而减小。同时当隧道埋深增大时，地表的最大水平位移和变形值都相应减小，因此增大隧道的埋深有助于减小地表位移和变形，对地面设施的保护有利。

 

      由以上分析，可以得出盾构法施工隧道导致地表沉降及其影响因素的关系：

      （１）隧道的开挖直接影响到了地表，使地表在纵向和横向一定范围都发生了沉降。开挖所引发的隧道横向沉降槽曲线与传统的Ｐｅｃｋ曲线类似^{［１６～１８］}。

      （２）在相同的工况下，随地层强度的减弱，受隧道施工引起的地层扰动程度和扰动范围呈增大趋势。但是若考虑施工控制因素，则在颗粒和级配较差的砂性土层（粗砂、砾砂和砂卵石地层）中由盾构施工产生的地层扰动程度和地表沉降量往往比较大。

      （３）地层损失引起的沉降，大都在施工期间呈现出来，再固结引起的沉降，砂性土中呈现较快，粘性土中则延续较长时间。

      （４）随着隧道埋深的加大，开挖面的应力和应变水平都相应增高，但是受盾构隧道开挖的扰动范围却随深度而减小，地表中心沉降减小。

      （５）盾构掘进使地层受到扰动范围和程度与盾构推进时的顶力、推进速度、回填注浆时间、注浆等有关。推力越大，推进速度越小，地表变形越大。随注浆量的增大，地表沉降减小，但注浆量增大到６ｍ以后，产生的地表沉降量基本不再变化。

 

［１］　钱七虎．迎接我国城市地下空间开发高潮［Ｊ］，岩土工程学报，１９９８，２０（２）：２７－２８．

［２］　陶龙光，巴肇伦．城市地下工程［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９６．

［３］　朱伟，陈仁俊．盾构隧道施工技术现状及展望———盾构隧道应用前景及发展方向［Ｊ］．岩土工程界，２００２，５（１）：３５－３９．

［４］　刘建航，侯学渊．盾构法隧道 ［Ｍ］．北 京：中国铁道出版社，１９９１．

［５］　李泽光．盾构施工的地层变形分析及三维数值模拟研究［Ｄ］．中国矿业大学硕士论文，２００２．

［６］　阳军生，刘宝深．城市隧道施工引起的地表移动及变形［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００２．

［７］　乐贵平．盾构技术在北京的应用和发展［Ｊ］．市政技术，２００２，１１３（４）：５－１１．

［８］　易宏伟，孙钧．盾构施工对软粘土的扰动机理分析［Ｊ］．同济大学学报，２０００，２８（３）：２７７－２７８．

［９］　Ｐｅｃｋ　Ｒ　Ｂ．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｉｎ　ｓｏｉｌｓ［Ａ］．Ｉｎ：１０ｔｈ　ＩＣＳＭＦＥ［Ｃ］．Ｓｔｏｃｋ－ｈｏｌｍ　１９６９：６０７－６２８．

［１０］Ｌｅｅ，Ｋ．Ｍ．，Ｋｅｒｒｙ　Ｒｏｗｅ，Ｒ．ａｎｄ　Ｌｏ，Ｋ．Ｙ，Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９２，２９：９２９－９５４．

［１１］安红刚，孙钧，袁金荣．盾构施工扰动与地层移动及其智能神经网络预测［Ｊ］．岩土工程学报，２００３，２３（３）：９１－９７．

［１２］徐永福，孙钧，等．外滩观光隧道盾构施工的扰动分析［Ｊ］．土木工程学报，２００２，３５（２）：７０－７１．

［１３］蒋洪胜，侯学渊．盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（９）：１５１４－１５２０．

［１４］刘招伟．城市地铁盾构法施工引起的地表沉降的研究［Ｄ］，北方交通大学硕士论文，２００２．

［１５］张文华．采用ＥＰＢ盾构开挖隧道中时间与地面沉降的关系［Ｊ］．铁道勘测与设计，１９９４，９１（３）：２９－３２．

［１６］张云，殷宗泽，徐永福．盾构法隧道引起的地表变形分析［Ｊ］．岩土力学与工程学报，２００２，２１（３：３３８－３４２．

［１７］朱忠隆，张庆贺．盾构法施工对土体影响理论与试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９，１８（增）：５８－６３．

［１８］嘘继立．盾构施工引起的地面长期沉降研究［Ｄ］．同济大学博士学位论文，２００２．